第二章 铸造铝合金熔炼
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为了防止铝-氧剧烈反应，大多数铝合金的熔炼温度控制在750℃以下。
南昌航空大学铸造工程系
铝-水气反应
铝和水气的 反应
2Al+6H2O→2Al(OH)3+3H2↑
2Al(OH)3→Al2O3+3H2O 2Al+3H2O→Al2O3+6[H]
Al(OH)3 在400℃ 的条件下将进一步
反应
Al2O3成氧化夹杂，氢则溶于铝液，增加气体含量。
南昌航空大学铸造工程系
除氢热力学（续）
应尽量降低铝液表面上的氢分压，为此可采 用真空处理。 向铝液中吹入气体，以在其内形成氢分压起 始为零的气泡来降低含氢量。 温度的降低作用是有限的。
南昌航空大学铸造工程系
合金元素的影响
南昌航空大学铸造工程系
铝液中氢向惰性气泡或活性气泡中迁移示意图
南昌航空大学铸造工程系
第二章 铸造铝合金的熔炼
铝合金熔炼时的物理化学特性 铝合金熔炼工艺原理和技术 铝合金组织控制 铸造铝合金熔炼工艺
南昌航空大学铸造工程系
§2-1 铝合金熔炼时的物理化学特性
南昌航空大学铸造工程系
铝-氧反应
铝与氧的亲和力很大，极易氧化，4Al+3O2=2Al2O3，表面生成氧化 铝膜，可阻止继续氧化。
南昌航空大学铸造工程系
§2-2 铝合金熔炼工艺原理和技术
南昌航ห้องสมุดไป่ตู้大学铸造工程系
铝合金的净化（精炼）原理
除氢热力学
[H] KH PH2 KH A/T B
气体溶解 度的西华 特定律
式中KH-氢的溶解度系数；T-热力学温度；A、B-常数 ，对铝合金而言，不同的合金类和不同的成分，其数值
各不相同。
式中：r—气泡半径；2a—夹杂直径。 当2a «r时，俘获效率很小。只有尽量减小气泡直径 增大夹杂尺寸，以提高清除夹杂的效率。
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过滤除夹杂原理
铝液通过固态的多孔物质，可把夹杂拦截 下来。目前在熔炼浇注工艺中采用三种形式的 过滤器： 颗粒材料过滤器
刚质微孔陶瓷过滤器 泡沫陶瓷过滤器
南昌航空大学铸造工程系
铸造铝合金净化（精炼）技术
物理方法
吹惰性气体：用单管或多孔透气吹头； 过滤：包括颗粒、刚质陶瓷、泡沫陶瓷过滤器； 真空处理：包括静态和动态处理； 氢气的电萃取：通直流电使氢分子逸出； 超声处理。
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铸造铝合金净化（精炼）技术
物理化学方法
• 加气化溶剂，在铝液中生成AlCl3或本身气化； • 吹活性气体，用Cl2或F12(CCl2F2); • 加活性溶剂，用碱金属的氯、氟盐； • 喷吹活性溶剂； • 加稀土金属，与溶解氢形成化合物，将氢固定。
南昌航空大学铸造工程系
浮游法精炼
概念：
在铝液中吹入气体或产生气体，利用气泡在铝液中的 浮升，将氢及夹杂排出液面。
原理：
铝液内气泡中氢的分压起始为零，因此溶解氢按西华 特定律不断进入气泡，随气泡很快逸入大气。
精炼方法：
包括氯盐精炼、硝酸盐精炼、吹惰性或活性气体精炼 等。
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吹气精炼
去气动力学（续）
lgCmtCms1 At
CmsCm0 2.3V
除气的动力学 方程
提高比表面积，增大传质系数，延长作用时 间，可降低气体最终浓度，提高精炼效果。
应减少精炼气泡直径，增加气泡与铝液接触 时间，在不致使溶液表面强烈翻腾而造成吸气
氧化条件下，加强搅拌，以增大β值。
南昌航空大学铸造工程系
除夹杂的热力学
气泡在铝液中与固体夹杂相遇时会发生能量变化 根据热力学第二定律，系统自发变化的条件时能量必 须降低
由于夹杂被气泡自动吸附满足的自由能变化量△F﹤0
所以铝液中的Al2O3夹杂能自动吸附在气泡上，而被 带出液面。
南昌航空大学铸造工程系
气体除夹杂的动力学（续）
相切俘获系数为：
E(12a)2 1 r
原理
向铝液中通入活性气体和惰性气体以及它们的混合 物，可以较有效的起精炼作用。
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针孔分级
南昌航空大学铸造工程系
在铸件凝固过 程中多出的氢 易析出，形成
针孔
氧化物夹渣
在熔铸过程中，如将表面氧化膜或空气搅入铝液， 或将吸附的H2O带入铝液，均将在其中产生γ→Al2O3 夹杂物，悬浮在铝液中，而在浇注的铸件中形成氧化 夹杂物。 实践证明，铝液中氧化夹杂越多，则含氢量也越 高。并且氧化夹杂物提供了气泡成核的现成界面，促 使铸件针孔的形成。所以，铝液中Al2O3和氢之间有 着十分密切的关系。
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铝—有机物反应
铝—有机物反应是熔炼中最可能的有机物 是炉料工具被油脂沾污。
4/3mAl+CmHn→m/3Al4C3+n[H]
C和H构成的 烃类
南昌航空大学铸造工程系
铝合金中的气体
溶解于铝合金的气体主要是氢（其余是少量的CO等） 氢主要来自铝-水气反应，在熔炼中由于该反应不可避 免地将氢带入铝液 铝液中氢的溶解度是不大的，很易为氢所饱和 虽然在熔炼中经精炼除氢，仍会残留一部分，而且铝 液凝固时氢的溶解度变化的相对值很大
南昌航空大学铸造工程系
课前复习题
1. Fe在铝合金中是完全有害的吗？ 2. 为什么铸造铝镁合金和铝锌合金经过长期使用或放置
后变脆？ 3. Si在Al-Mg合金中是降低力学性能的 ，但为什么有些
Al-Mg合金中含有少量的Si？ 4. 铝合金热处理的目的是什么？ 5. 铸造合金与变形合金固溶处理有什么不同？ 6. 合金熔炼时，熔炼工具、坩埚及炉料为什么要预热？ 7. 为什么铝合金熔炼时，熔炼温度不能太高？
合金元素对铝的氧化有一定的影响，在这类合金中加入少量的铍 （0.03-0.07%Be）后，使氧化膜致密，故能提高其抗氧化性。
在 通 常 大 气 （ 湿 度 较 大 ） 中 铝 的 熔 炼 温 度 下 γ-Al2O3 膜 常 会 含 12﹪H2O，熔炼时若氧化皮被搅入铝液，即起Al- H2O反应。
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铝-水气反应（续）
在含硅、铜、锌等元素的铝合金，能较显著地阻缓铝 －水蒸气反应。含镁、钠等元素较多的铝合金，常使 铝－水气反应激烈进行。
升温时铝－水气反应速度大为加快，这说明限制熔炼 温度及浇注温度的必要性。
水气来源于炉料、熔剂、精炼变质剂、炉气（大气） 及熔炼浇注工具。特别是锈蚀的铝料，甚至经过吹砂 清理，仍会增加铝液的含氢量。
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铝-水气反应
铝和水气的 反应
2Al+6H2O→2Al(OH)3+3H2↑
2Al(OH)3→Al2O3+3H2O 2Al+3H2O→Al2O3+6[H]
Al(OH)3 在400℃ 的条件下将进一步
反应
Al2O3成氧化夹杂，氢则溶于铝液，增加气体含量。
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除氢热力学（续）
应尽量降低铝液表面上的氢分压，为此可采 用真空处理。 向铝液中吹入气体，以在其内形成氢分压起 始为零的气泡来降低含氢量。 温度的降低作用是有限的。
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合金元素的影响
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铝液中氢向惰性气泡或活性气泡中迁移示意图
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第二章 铸造铝合金的熔炼
铝合金熔炼时的物理化学特性 铝合金熔炼工艺原理和技术 铝合金组织控制 铸造铝合金熔炼工艺
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§2-1 铝合金熔炼时的物理化学特性
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铝-氧反应
铝与氧的亲和力很大，极易氧化，4Al+3O2=2Al2O3，表面生成氧化 铝膜，可阻止继续氧化。
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§2-2 铝合金熔炼工艺原理和技术
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铝合金的净化（精炼）原理
除氢热力学
[H] KH PH2 KH A/T B
气体溶解 度的西华 特定律
式中KH-氢的溶解度系数；T-热力学温度；A、B-常数 ，对铝合金而言，不同的合金类和不同的成分，其数值
各不相同。
式中：r—气泡半径；2a—夹杂直径。 当2a «r时，俘获效率很小。只有尽量减小气泡直径 增大夹杂尺寸，以提高清除夹杂的效率。
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过滤除夹杂原理
铝液通过固态的多孔物质，可把夹杂拦截 下来。目前在熔炼浇注工艺中采用三种形式的 过滤器： 颗粒材料过滤器
刚质微孔陶瓷过滤器 泡沫陶瓷过滤器
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铸造铝合金净化（精炼）技术
物理方法
吹惰性气体：用单管或多孔透气吹头； 过滤：包括颗粒、刚质陶瓷、泡沫陶瓷过滤器； 真空处理：包括静态和动态处理； 氢气的电萃取：通直流电使氢分子逸出； 超声处理。
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铸造铝合金净化（精炼）技术
物理化学方法
• 加气化溶剂，在铝液中生成AlCl3或本身气化； • 吹活性气体，用Cl2或F12(CCl2F2); • 加活性溶剂，用碱金属的氯、氟盐； • 喷吹活性溶剂； • 加稀土金属，与溶解氢形成化合物，将氢固定。
南昌航空大学铸造工程系
浮游法精炼
概念：
在铝液中吹入气体或产生气体，利用气泡在铝液中的 浮升，将氢及夹杂排出液面。
原理：
铝液内气泡中氢的分压起始为零，因此溶解氢按西华 特定律不断进入气泡，随气泡很快逸入大气。
精炼方法：
包括氯盐精炼、硝酸盐精炼、吹惰性或活性气体精炼 等。
南昌航空大学铸造工程系
吹气精炼
去气动力学（续）
lgCmtCms1 At
CmsCm0 2.3V
除气的动力学 方程
提高比表面积，增大传质系数，延长作用时 间，可降低气体最终浓度，提高精炼效果。
应减少精炼气泡直径，增加气泡与铝液接触 时间，在不致使溶液表面强烈翻腾而造成吸气
氧化条件下，加强搅拌，以增大β值。
南昌航空大学铸造工程系
除夹杂的热力学
气泡在铝液中与固体夹杂相遇时会发生能量变化 根据热力学第二定律，系统自发变化的条件时能量必 须降低
由于夹杂被气泡自动吸附满足的自由能变化量△F﹤0
所以铝液中的Al2O3夹杂能自动吸附在气泡上，而被 带出液面。
南昌航空大学铸造工程系
气体除夹杂的动力学（续）
相切俘获系数为：
E(12a)2 1 r
原理
向铝液中通入活性气体和惰性气体以及它们的混合 物，可以较有效的起精炼作用。
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针孔分级
南昌航空大学铸造工程系
在铸件凝固过 程中多出的氢 易析出，形成
针孔
氧化物夹渣
在熔铸过程中，如将表面氧化膜或空气搅入铝液， 或将吸附的H2O带入铝液，均将在其中产生γ→Al2O3 夹杂物，悬浮在铝液中，而在浇注的铸件中形成氧化 夹杂物。 实践证明，铝液中氧化夹杂越多，则含氢量也越 高。并且氧化夹杂物提供了气泡成核的现成界面，促 使铸件针孔的形成。所以，铝液中Al2O3和氢之间有 着十分密切的关系。
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铝—有机物反应
铝—有机物反应是熔炼中最可能的有机物 是炉料工具被油脂沾污。
4/3mAl+CmHn→m/3Al4C3+n[H]
C和H构成的 烃类
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铝合金中的气体
溶解于铝合金的气体主要是氢（其余是少量的CO等） 氢主要来自铝-水气反应，在熔炼中由于该反应不可避 免地将氢带入铝液 铝液中氢的溶解度是不大的，很易为氢所饱和 虽然在熔炼中经精炼除氢，仍会残留一部分，而且铝 液凝固时氢的溶解度变化的相对值很大
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课前复习题
1. Fe在铝合金中是完全有害的吗？ 2. 为什么铸造铝镁合金和铝锌合金经过长期使用或放置
后变脆？ 3. Si在Al-Mg合金中是降低力学性能的 ，但为什么有些
Al-Mg合金中含有少量的Si？ 4. 铝合金热处理的目的是什么？ 5. 铸造合金与变形合金固溶处理有什么不同？ 6. 合金熔炼时，熔炼工具、坩埚及炉料为什么要预热？ 7. 为什么铝合金熔炼时，熔炼温度不能太高？
合金元素对铝的氧化有一定的影响，在这类合金中加入少量的铍 （0.03-0.07%Be）后，使氧化膜致密，故能提高其抗氧化性。
在 通 常 大 气 （ 湿 度 较 大 ） 中 铝 的 熔 炼 温 度 下 γ-Al2O3 膜 常 会 含 12﹪H2O，熔炼时若氧化皮被搅入铝液，即起Al- H2O反应。
南昌航空大学铸造工程系
铝-水气反应（续）
在含硅、铜、锌等元素的铝合金，能较显著地阻缓铝 －水蒸气反应。含镁、钠等元素较多的铝合金，常使 铝－水气反应激烈进行。
升温时铝－水气反应速度大为加快，这说明限制熔炼 温度及浇注温度的必要性。
水气来源于炉料、熔剂、精炼变质剂、炉气（大气） 及熔炼浇注工具。特别是锈蚀的铝料，甚至经过吹砂 清理，仍会增加铝液的含氢量。